基于华中数控的磁流变抛光机床工艺过程设计与开发.pdf

基于华中数控的磁流变抛光机床工艺过程设计与开发 术 唐小会 陈 华 郑永成 罗 清 黄 文 吉 方 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所， 四川 绵阳6 2 1 9 0 0 摘要 为提高 自主研制磁流变抛光机床的自动化水平， 根据磁流变抛光工艺特点 。 设计 了缎带标定和工件 位姿测量等 自动化工艺过程 ， 并基于华中数控 系统实现了缎带标定和端面测量等工艺过程 固定循 环 G代码。实际应用表明。 开发 的工艺过程循环指令灵活性好、 使用方便 。 运行稳定可靠。 关键词 华中数控 ； 缎带标定 ； 固定循环 ； 端面测量 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B De s i g n a n d d e v e l o p me n t o f t e c h n o l o g y p r o c e s s o f ma g n e t o r h e o l o g i c a l ma c h i n e b a s e d o n HNC T A N G X i a o h u i ，C H E N H u a ， Z HE N G Y o n g c h e n g ， L U O Q i n g ， HU A N G We n ， j I F a n g I n s t i t u t e o f M e c h a n i c a l M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ，C A E P ，M i a n y a n g 6 2 1 9 0 0 ， C HN Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e l e v e l o f a u t o ma t i o n o f t h e s e l f d e v e l o p e d ma g n e t o r h e o l o g i c a l ma c h i n e， t h e a u t o ma t i o n t e c h n o l o gy p r o c e s s e s s u c h a s t h e r i b bo n c a l i b r a t i o n a n d s u rfa c e me a s u r e me n t a r e d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t he c h a r a c t e r i s t i c s o f ma g n e t o r h e o l o g i c a l fin i s hi ng ．Th e fix e d c y c l e G c o d e s o f t e c h n o l o gy p r o c e s s e s s u c h a s t h e r i b b o n c a l i b r a t i o n a n d t h e s u r f a c e me a s u r e me n t are d e v e l o p e d b a s e d o n t h e HNC s y s t e m． Th e p r a c t i c a l us i n g d e mo n s t r a t e s t h a t t h e t e c h n o l o gy c y c l e G c o d e s c a n b e r u n ni n g s t a bl y a n d r e l i a b l y，a l s o s h o ws t h a t t h e y a r e c o n v e n i e n t t o fle x i b l y u s e ． Ke y wor dsHNC；r i b bo n c a l i b r a t i o n；fi x e d c y c l e；s u r f a c e me a s u r e me n t 磁流变抛光是近十多年才发展起来的一种高确定 性柔性抛光技术， 是获得超光滑光学表面的理想工艺 之一 ‘ 。 。它主要利用磁流变抛光液在高强度梯度磁 场时变成具有粘塑性的 B i n g h a m介质 ， 形成具有一定 形状与硬度的“ 柔性磨头” ， 通过控制柔性磨头与工件 之间的相对运动， 在柔性磨头与工件表面相接触的区 域产 生很 大 的剪 切力 ， 从 而实现对 工件表面材料 的 去除 。 磁流变抛光使 用的刀具是“ 柔性磨头” ， 而 “ 柔性 磨头” 不 同于常用 的加工 刀具， 目前数控机床加工 中 仍普遍采用的手动试切对刀法不适用于柔性磨头的对 刀。常规的手动标定方法很难避免人为因素如操作方 法、 技能等 的不同所带来的标定结果的不一致 ， 而采用 普通 的测量方法也很难实现“ 柔性磨头” 的精确测量 ， 因此必须基于通用数控 系统开发与“ 柔性磨头” 相关 的专用功能 自动标定磨头尺寸、 精确建立磨头与工件 之间的相对几何关系 ， 以便 自动建立工件坐标系为磁 流变抛光实现数控编程奠定基础。 1 磁流 变抛 光的工艺特点 磁流变抛光是一种计算机控 制的确定性抛光过 程 ， 基于计算 机控制光学表面成型 C C O S 的工艺 方法 ， 在确定材料去除模型的基础上 ， 结合加工前测量 的工件面形 ， 根据选定 的驻留时间计算方法 ， 计算 出驻 留时间并完成路径规划 ， 然后通过数控机床完成加工 过程 。磁流变抛光过程 中， 浸人深度是影 响抛光效率 以及元件表面粗 糙度的重要 因数之一 。为 了保 证 加工结果面形与预期面形 的一致性 ， 必须保证加工过 程中抛光轮和工件之间的恒定间隙， 即需要保证柔性 磨头的一致性和准确性 ， 因此实际加工过程中， 柔性磨 头需要精确标定 ， 工件需要准确定位。 2 柔性磨头标定机构 根据上述工艺过程描述可知 ， 在相同工艺条件下 ， 需要对柔性磨头的高度进行精确标定。在抛光头结构 设计 中增加柔性磨头标定机构辅助实现磨头精确标 定 。柔性磨头标定机构包括高精度测量探头 和探 “ 高档数控机床与基础制造装备” 科技重大专项 强激光光学元件超精密制造关键装备研制 2 0 1 3 Z X 0 4 0 0 6 0 1 1 zu10 O 度测量探头分别测量光学元件 的 X Y上端面、 Y Z左端 面、 Y Z右端面、 Z X前端面 、 Z X后端面等 5个端面， 并 实时记录各测量点的 、 y 、 z坐标 ， 然后结合测量探头 与磁流变抛光磨头之 间的位置关系 ， 通过坐标转换矩 阵建立元件抛光的起刀点在机床坐标系中的位置， 并 把工件坐标系的值 自动写入 G 5 4 。工件位姿测量流程 如图4所示 。 图4 工件位姿测量流程 图 不同的工艺路径规划策 略采 用的工件起刀点不 同， 如常用的螺旋线抛光路径规划通常 以工件上表 面 的回转中心作为工件坐标系原点， 之字形抛光路径规 划通常以工件上表面的左下角作为工件坐标系原点。 为简化操作 ， 把工件位姿测量流程归一化 ， 针对不同的 工艺路径规划策略， 采用不 同的坐标变换方式 自动适 应工艺规划对工件坐标系的要求 。 4 工艺流程 自动化方法 针对不同的数控系统， 工艺流程的 自动化方法各 异。8 d O D等国外的高档数控系统针对钻孔、 端面测量 等专用 流程 一般 都有 通用 固定循 环 G代码 或宏 程 序 ] ， 用户直接调用或进行适应性改造就可以使用。华 中数控目前还没有针对专用流程设计开发通用的固定 循环 G代码或 专用宏程序 ， 必 须根据 工艺需求 自己 开发。 4 ． 1 华 中数控工艺过程自动化方法 华中数控 实现工艺过程 自动化 的方式 主要 有三 l 70 种 ， 一种是数控宏程序 ， 一种是 固定循环 G代码 ， 一种 是利用 U G 、 P r o ／ E 、 C i ma t r o n 、 M a s t e r C A M、 P o w e r MI L L等 世界知名 C A D ／ C AM软件 自动编程。由于磁流变抛光 专用工艺流程 自动化的 目的主要在于简化操作过程 ， 降低操作难度 ， 而且固定循环 G代码编程方式具有程 序灵活性大， 容易实现参数化和系列化 ， 程序调试方便 等优点 ， 因此采用固定循环 G代码方式实现工艺流程 的自动化。下面详细介绍用华 中数控 固定循环 G代 码实现磁流变抛光专用工艺过程的方法。 4 ． 2 华中数控固定循环 G指令开发方法 1 变量定义 华中数控系统变量分为全局变量、 局部变量和系 统变量。全局变量的序号为 5 0一 1 9 9 ； 当前局部变量 的序号为柏 ～ 4 9 ， 0层局部变量为 2 0 0一24 9 ， 1层局 部变量为25 0～ 29 9 ， 以此类推 ， 直到 7层局部变量为 5 5 0一59 9 ； 系统变量的序号为柏0 0～ 1 1 9 4 。对于每 个局部变量 ， 可采用 系统宏 A R[ ] 来判 断该变量是否 被定义为增量或绝对方式。 2 模态数据处理 在循环 G指令 编写时， 会使 用很多 的简单 G代 码 ， 它们大多数为模态代码 ， 这就给编程带来一些潜在 的问题 ， 若不对模态数据进行保存和恢复 ， 当退出循环 G指令时 ， 其 中的模态 G代码 数据 会继续有效。如 果主调程序使用的模态 G指令与被调用的固定循环 G 指令中使用的模态 G指令不一致 ， 就会 出现 问题 ， 而 且很难查找。在循环 G指令编写时 ， 需要对模态 G指 令进行保存和恢复操作 ， 例如 G代码组 0 1 运动指令 ， 变量 1 1 5 1 、 G代码组 0 2 平面选 择， 变量 1 1 5 2 、 G 代码组 1 3 尺寸模式 ， 变量 1 1 6 3 、 G代码组 0 8 测量 单位 ， 变量 1 1 5 8 等 。 5 工艺过程 固定循环指令开发 5 ． 1 端面测量固定 G代码开发 五点端面测量法实现工件位姿测量方法 中， 每个 端面测量流程相同， 仅仅是测量端面不 同。下面详细 介绍工件位姿测量流程 中单个端面测量流程的固定循 环指令开发 。 1 宏变量定义 1 工作台中心 坐标 2 工作台中心 y坐标 躬 测量起始点 测量行程 粗测速度 6 精测速度 7 快速回退速度 4 0 保存 G代码组 0 2信息 1 1 9 1 N C程序与P L C握手信号 2 端面测量 的固定循环源程序 ％ l O 4 2 4 0 l 1 5 2 保存 G代码 组 0 2信息 I F [ A R [ 3 ] E Q 0 ] A N D[ A R [ 4 ] E Q 0 ] A N D[ A R [ 撑 5 ] E Q 0 ] A N D [ A R[ 柏 ] E Q 0] AN D[ A R[ 柙 ] E Q 0 ] M 一 9 9 ； 如果没有定义测量参数 ， 则返回 ENDI F } } 1 1 9 1 1 ； 设置对刀握手信号 G 1 0 4 9 初始化工件位 姿测量 参数 G 1 9 0 0 ； 初始化系统结构参数 G 1 049 H O I O J 0； 动态设 置 G 5 4 M1 0 探头下降到工作位 G 0 1 X[ 1 ] Y[ 舵 ] F 1 0 0 0； G9l C O 1 Z [ 3 ] F 1 0 0 G 3 1 L 1 Z [ 4 ] F [ ] 探头 Z向粗测 C O 1 Z [ 1 3 4 2 5 ] F [ 柏] G 3 1 L 2 Z [ 1 3 4 2 1 ] F [ 柙] ； 探头 Z向精测 C 0 1 Z[ 1 3 4 22 0] F [ 柏] M1 1 ； 探头 上升到准备位 G[ 40 ]； 恢复 G代码组 0 2 l 1 910 b 1 9 9 3 G1 0 4 2指令 指令格式 G1 0 4 2 C D E F G c 测量起始点 ； D 测量行程 ； E 粗测 速度 ； F 精 测速度 ； G 快速 回退速度 。 5 ． 2 标定缎带厚度固定 G代码开发 1 宏变量定义 l 对刀器顶尖点 的 坐标 2 对刀器顶尖点 的 y坐标 标定行程 标定速度 7 回退速度 8 缎带厚度 z轴下降距离 l 1 抛 光轮工作点 与测量探 头的 向 坐标差 1 2 抛光轮工作点 与测量探头的 l ， 向 坐标差 1 3 抛光轮工作点 与测量探头的 z向 坐标差 40 代码组 2模式信息 1 1 9 1 N C程序 与P L C握手信号 型 整 兰 2 0 1 5年第 8 期 2 标定缎带厚度的固定循环源程序 ％ 1 0 4 5 4 0 1 1 5 1； 保存 G代码组O 1 信息 I F [ A R[ 8 ] E Q o 3 M一9 9 ； 如果没有定义缎带厚度 ， 则返回 ENDI F 1 1 9 11 设置对刀握手信 号 M 1 0 ； 探头下降到工作位 CO1 X [ 1 ] Y [ 舵] F 1 0 0 0 G 91 C O 1 Z[ 舯 ] 17 8 0 ； Z轴下降 ， 探头接近对刀器 G 3 1 L I Z [ 槲] F [ ] ； 标定探头与对刀器接触时的 z向坐标 CO1 z [ 1 3 4 2 5 ] F [ 婀] ； z轴快速抬升 N1 1 探头上升到准备位 CO1 X[ 1 3 4 0 1 1 ] Y [ 1 3 4 1 1 2 ] F [ ] ； 抛光轮工作点 的X ／ l ， 坐标 移动 到对 刀器顶尖点 的 X Y平面 中心 C O 1 z [ 1 3 4 2一 1 3 鹊 ] 1 7 [ ] ； z轴下降到 Z OHP位置 G[ 4 0 ] 恢复 G代码组 O 1 } } 1 1 9 10 M9 9 3 G1 0 4 5指令 指令格式 G 1 0 4 5 C c 缎带厚度 。 5 ． 3 循环 G指令的调用 将 编 写 的 固定 循 环指 令 源代 码移 植 到 系统 的 U S E R D E F ． C Y C文件 中。加工时 ， 通过具体 G指令 以 参数传递的形式调用源代码程序。对 于操作者而言 ， 如测量单个端面只需要调用 G 1 0 4 2 ， 并知道各个参数 的含义即可。工件位 姿测量 只需 要多 次调用 G 1 0 4 2 并正确设置不同端面的测量参数即可轻松实现。 6结语 根据磁流变抛光的工艺需求设计了柔性磨头标定 工艺流程和工件位姿测量 工艺流程 ， 并设计开发了基 于国产华 中 H N C 8 1 8 B数控系统的磁流变抛光专用辅 助工艺过程 固定循环 G指令。应用结果表 明用 固定 循环 G指令方 式实现 的辅助工 艺灵活性好 ， 操作 简 单 ， 有效提高 了机床的 自动化水平和安全性 。 参考文献 [ 1 ] 杨力 ． 先进光学制造技术 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 陈逢军 ， 尹韶辉 ， 余剑武 ， 等． 磁流变 光整加工技 术研究进 展 [ J ] ． 中 国机械工程 ， 2 0 1 1 ， 2 2 1 9 2 3 8 22 3 9 2 ． [ 3 ] 彭小强 ， 戴一帆， 李圣怡． 磁流变抛光的材料去除数学模型[ J ] ． 机械 工程学报 ， 2 0 0 4， 4 0 4 6 77 0 ． [ 4 ] 康桂文， 张飞虎， 董申． 磁流变技术研究及其在光学加工中的应用 [ J ] ． 光学技术 ， 2 0 0 4， 3 0 3 3 5 43 5 6 ． [ 5 ] 戴一帆 ， 石峰 ， 彭小 强 ， 等． 光学镜 面磁流变 确定性修形 的实现 [ J ] ． 光学学报 。 2 0 1 0 ， 3 0 1 1 9 8 2 0 5 ． 高档数控机床 B样条曲线高速实时插补研究 张万军① ② 张峰① ② 张万 良① 张 国华② ③ 张利 民② ①兰州S - 业化设备有限公司， 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ； ②兰州理工大学机电工程学院， 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ； ③兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部 重点实验室， 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 为了解决高档数控机床在 B样条 曲线J j u - r时存在插补计算量大、 型值点确定比较麻烦 、 控制精度不 高等问题 。 提出了一种 B样条曲线高速实时插补的方法。经具体 实例在 MA T L A B 7 ． 0上仿真 ， 结 果表明插补误差明显减小、 控制精度显著提 高， 满足高速、 高精度实时插补的要求。对应用该插补 算法解决 B样条曲线插补等问题具有重要的现实意义。 关键词 高速加工； B样条 曲线 ； 插补算法 ； 数控系统 ； 仿真 中图分类号 T G 6 5 9 T B l l 5 文献标识码 A Re s e a r c h o n h i g h． ． g r a d e CNC ma c h i n e s t o o l s CNC s y s t e m f o r B． s p l i n e c u r v e me t h o d o f h i g hs p e e d r e a l t i me i n t e r p o l a t i o n a r i t h me t i c Z H A N G Wa n j u n ， Z H A N G F e n g ， Z H A N G Wa n l i a n g ①， Z H A N G G u o h u a ⑦ ③， Z H A N G L i m i n ① L a n z h o u I n d u s t r y a n d E q u i p me n t C o ． L t d ． ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ，C H N； ⑦S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c a l E n g i n e e ri n g ， L a n z h o u U n i v ． o f T e c h ． ，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ，C H N； K e y L a b o r a t o r y o f D i g i t a l Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n ， T h e Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ，L a n z h o u U n i v ． o f T e c h ． ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C HN Ab s t r a c t I n t h e h i g hg r a d e CNC ma c h i n e s t o o l s CNC i n t e r p o l a t i o n s y s t e m e x i s t e d i n t e rp o l a t i o n o f l a r g e a mo u n t o f c a l c u l a t i o n，t h e t y pe v a l u e p o i n t s i s mo r e t r o u b l e，t h e c o n t r o l p r e c i s i o n i s n o t s t r o n g a n d S O o n．I n o r d e r t o s o l v e t h i s p r o b l e m，i n t r o d u c e s o n h i g hg r a d e C NC ma c h i n e s t o o l s C NC s y s t e m f o r BS p l i n e c u r v e me t h o d o f Hi g h s p e e d r e a l t i me i nt e rpo l a t i o n a r i t h me t i c ． Th r o u g h s p e c i fic e x a mpl e s i n MATLAB 7． 0 s i mu l a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t h e i n t e r p o l a t i o n e r r o r s i g n i fic a n t l y r e d uc e d，t h e c o n t r o l p r e c i s i o n i s i m p r o v e d ma r k e d l y ，a n d s a t i s f y t h e r e a l t i me i n t e rpo l a t i o n o f h i g h s p e e d ，h i g h a c c u r a c y r e q u i r e me n t s ． I t ha s i mp o r t a n t p r a c t i c a l s i g n i fic a n c e t o t he a p p l i c a t i o n o f t he i n t e rpo l a t i o n a l g o rit h m t h a t t o s o l v e e ng i n e e ri n g t h e C u b i c B s p l i n e c u r v e s a n d o t h e r m a j o r p r o b l e m s ． Ke y wo r d shi g h s p e e d ma c h i n i n g；B s p l i n e C u Y v e s ；i n t e rpo l a t i o n a r i t h me t i c；CNC s y s t e m ； s i mu l a t i o n 对于高档数控机床加工复杂的曲线 、 曲面时存在 曲线结构复杂 、 计算量大、 反求控制点不易编程 ， 型 值点难以确定等问 。 。对于B样条曲线插补算法 的研究已有大量的文献。文献 [ 4 ] 给出了一种 B样条 曲线衔接处假定存在两个控制点 ， 分批求 出控制点的 计算方法 ， 插补计算的实时性不强 ； 文献 [ 5 ] 给出了一 种插补器的前瞻计算方法 ， 目的是保存 当前插补点 的 序列 ， 使插补数据暂时缓存 ， 这样增加插补运算的计算 [ 6 ] 秦北志 ， 杨李茗 ， 朱 日宏 ， 等． 光学元件 精密加 工中的磁流 变抛 光技 术工艺参数[ J ] ． 强激光与粒子束， 2 0 1 3 ， 2 5 9 2 2 8 1 2 2 8 6 ． 【 7] 郑永成 ， 黄文 ， 罗清 ， 等． 曲面磁 流变 抛光 工艺 与抛 光 头结构 分析 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 4 7 1 3 0 1 3 3 ． 『 8 ] S I NU ME R I K 8 4 0 D s l ／ 8 4 0 D ／ 8 4 0 D i s l 循环编程手 册[ M] ． 北京 西门 子中国有限公 司工业 自动化与驱动技术集 团 ， 2 0 0 8 ． [ 9] 华中 8型数控系统用户说明书[ M] ． 武汉 华 中数控股份有 限公 司 ， 2 01 2 2 0 521 8． 第一作者 唐小会， 女 ， 1 9 7 4年生， 硕 士， 高级工程 师， 研究方向为机电一体化， 已发表论文 1 0篇。 编 辑 汪 艺 收稿日 期 2 0 1 5 0 4 2 0 国家科技重大专项 2 0 1 0 Z X 0 4 0 0 0 1 1 8 1 ； 国家 自然科学基金 5 1 1 6 5 0 2 4 1 7 2 I U 0年帚 0朋